Techn. Univ., Diss.--Dresden, 2007.

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2008

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2009

<p>The expansion of wind energy production creates an increase in wind turbine (WT) noise. The purpose of this paper is to examine if a possible reduction of WT noise might be achieved by adding natural ambient sounds, so called auditory masking. A loudness experiment was conducted to explore this possibility, using four ambient sounds of trees, birds and water as maskers. Sixteen listeners assessed the loudness of WT noise heard alone or in the presence of 40 dB masking sounds, using the method of magnitude estimation. Partial masking of WT noise was found in the presence of all ambient sounds. The masking effect corresponded to a dB-reduction of the WT noise from a few dB for signal-to-noise ratios (S/N) close to 0 dB up to around 10 dB at -15 dB S/N. These results indicate that addition of ambient sounds may be a useful method for masking unwanted noise from wind turbines.</p>

Zugl.: @Delft, Techn. University, Diss., 2006.

The expansion of wind energy production creates an increase in wind turbine (WT) noise. The purpose of this paper is to examine if a possible reduction of WT noise might be achieved by adding natural ambient sounds, so called auditory masking. A loudness experiment was conducted to explore this possibility, using four ambient sounds of trees, birds and water as maskers. Sixteen listeners assessed the loudness of WT noise heard alone or in the presence of 40 dB masking sounds, using the method of magnitude estimation. Partial masking of WT noise was found in the presence of all ambient sounds. The masking effect corresponded to a dB-reduction of the WT noise from a few dB for signal-to-noise ratios (S/N) close to 0 dB up to around 10 dB at -15 dB S/N. These results indicate that addition of ambient sounds may be a useful method for masking unwanted noise from wind turbines.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2007

Hauptziel dieser Arbeit ist die Klärung der in der Praxis oft getroffenen Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts keinen Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. Auf dem Markt findet sich ein breites Angebot an Software, mit der die Aeroelastizität von Windturbinenblättern und deren dynamische Stabilität berechnet und geprüft werden kann. Mit diesen Programmen können üblicherweise Schwingungsformen, die dazugehörigen Frequenzen sowie die Überlagerung der Schwingungen, das Flattern und die Stabilität des Rotorblattes berechnet werden [1, 2, 3 und 4]. Konstruktive Maßnahmen in diesem Zusammenhang sind auf die Schwingungstechnik fokussiert [5]. Die dynamische Stabilität ist jedoch nicht maßgebend für die statische Deformation des Windturbinenblattes, bei deren Auslegung auf die Vermeidung von Kollisionen mit dem Turm geachtet werden muss. In diesem Zusammenhang gewinnt die statische Aeroelastizität der Windturbinenblätter an Wichtigkeit. Die zur Verfügung stehenden Berechnungsprogramme ziehen zwar sowohl die dynamische als auch die statische Aeroelastizität in Betracht. Da jedoch in der Regel die dynamischen Torsionsschwingungen der Windturbinenblätter wesentlich höhere Frequenzwerte aufweisen als die Schlag- und Schwenkschwingungen, wird als plausibel angenommen, dass die Rotorblätter grundsätzlich torsionssteif sind. Daher werden bei den handelsüblichen Berechnungsprogrammen sowohl für die Aerodynamik als auch für die Strukturmechanik Vereinfachungen vorgenommen, in denen die statischen Torsionsberechnungen wegfallen. Als Stand der Technik bei den kommerziell erhältlichen Programmen wird die Aerodynamik des Rotors zunächst an einem Modell untersucht, in welchem der Rotor in viele zweidimensionale Profilpolare (mit angenommenen Interpolationsmöglichkeiten) unterteilt ist, wobei die Profilpolare 2DWindkanalmessungen entnommen werden. Die Strukturmechanik bezieht sich in der Regel auf eindimensionale Balkenelemente, die für Biege- und Zuglasten, aber nicht für Torsionsbetrachtungen um die Rotorlängsachse berechnet werden, da die Torsionseffekte als sehr gering und vernachlässigbar eingeschätzt werden. Beim torsionselastischen Windturbinenblatt ist zu erwarten, dass die Last der lokalen Auftriebskräfte und Nickmomente das Rotorblatt um die eigene Längsachse tordieren lässt [6]. Durch den Torsionswinkel nimmt der Auftrieb und somit die Schubkraft des Rotorblattes zu. Da der Torsionswinkel an der Windturbinenblattspitze am größten ist, wird folglich die größte Schlagdeformation ebenfalls im äußeren Bereich des Rotorblattes auftreten. Mit zunehmender Größe des Rotordurchmessers von der Größenordnung 100 m wird erwartet, 10 dass die Torsionslasten einen zunehmenden, nicht mehr vernachlässigbaren Einfluss auf die Wechselwirkung der Aerodynamik und Strukturmechanik einnehmen und somit die Zunahme der Schlagdeformation begünstigen. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Klärung der Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. In den Kapiteln 4 und 5 dieser Arbeit werden daher die Größenordnung der Drehwinkel und die sich daraus ergebende Schlagdeformation mit einem besonderen Augenmerk auf die Torsionseffekte des Rotorblattes ermittelt. Weiterhin werden in der aeroelastischen Berechnung dieser Arbeit die lokalen Deformationen berücksichtigt, da die flexible Haut des Windturbinenprofils durch die aerodynamischen Lasten eine Verformung erfährt, die einen beachtenswerten Einfluss auf die Aerodynamik des Windturbinenprofils hat. Bei immer größer werdenden Profiltiefen wird die Zunahme der lokalen Deformationen der flexiblen Haut des Windturbinenprofils begünstigt, welche durch die aerodynamischen Lasten und Torsion verursacht wird, die ihrerseits die Aerodynamik beeinflussen. Da der Fokus auf den lokalen Deformationen und Torsionseffekten liegt, wird hier auf sonst wichtige Parameter wie z.B. Windgeschwindigkeitsgradient, und Rotorebenenneigung verzichtet und somit eine stationäre Strömung angenommen. In einem iterativen Verfahren wird zunächst die aerodynamische Lastverteilung des Rotorblatts ermittelt. Die Ergebnisse werden in einem strukturmechanischen Programm auf das Rotorblattmodell übertragen. Die aerodynamischen Lasten und die Zentrifugalkräfte erzeugen einen Gleichgewichtszustand und eine neue Deformation des Rotorblattes. Der neue Gleichgewichtszustand wird für die Ermittlung der Aerodynamik für den nächsten Berechnungsschritt benutzt. Das iterative Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis sich eine Konvergenz eingestellt hat. Hierzu sollen die Konvergenzkriterien berücksichtigt und dokumentiert werden, um somit die Berechnungsgenauigkeit des Antriebsmoments der Turbinenwelle beurteilen zu können. Für die Untersuchungen werden sowohl ein Balkenmodell als auch ein Schalenmodell benutzt.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Klärung der in der Praxis oft getroffenen Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts keinen Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. Auf dem Markt findet sich ein breites Angebot an Software, mit der die Aeroelastizität von Windturbinenblättern und deren dynamische Stabilität berechnet und geprüft werden kann. Mit diesen Programmen können üblicherweise Schwingungsformen, die dazugehörigen Frequenzen sowie die Überlagerung der Schwingungen, das Flattern und die Stabilität des Rotorblattes berechnet werden [1, 2, 3 und 4]. Konstruktive Maßnahmen in diesem Zusammenhang sind auf die Schwingungstechnik fokussiert [5]. Die dynamische Stabilität ist jedoch nicht maßgebend für die statische Deformation des Windturbinenblattes, bei deren Auslegung auf die Vermeidung von Kollisionen mit dem Turm geachtet werden muss. In diesem Zusammenhang gewinnt die statische Aeroelastizität der Windturbinenblätter an Wichtigkeit. Die zur Verfügung stehenden Berechnungsprogramme ziehen zwar sowohl die dynamische als auch die statische Aeroelastizität in Betracht. Da jedoch in der Regel die dynamischen Torsionsschwingungen der Windturbinenblätter wesentlich höhere Frequenzwerte aufweisen als die Schlag- und Schwenkschwingungen, wird als plausibel angenommen, dass die Rotorblätter grundsätzlich torsionssteif sind. Daher werden bei den handelsüblichen Berechnungsprogrammen sowohl für die Aerodynamik als auch für die Strukturmechanik Vereinfachungen vorgenommen, in denen die statischen Torsionsberechnungen wegfallen. Als Stand der Technik bei den kommerziell erhältlichen Programmen wird die Aerodynamik des Rotors zunächst an einem Modell untersucht, in welchem der Rotor in viele zweidimensionale Profilpolare (mit angenommenen Interpolationsmöglichkeiten) unterteilt ist, wobei die Profilpolare 2DWindkanalmessungen entnommen werden. Die Strukturmechanik bezieht sich in der Regel auf eindimensionale Balkenelemente, die für Biege- und Zuglasten, aber nicht für Torsionsbetrachtungen um die Rotorlängsachse berechnet werden, da die Torsionseffekte als sehr gering und vernachlässigbar eingeschätzt werden. Beim torsionselastischen Windturbinenblatt ist zu erwarten, dass die Last der lokalen Auftriebskräfte und Nickmomente das Rotorblatt um die eigene Längsachse tordieren lässt [6]. Durch den Torsionswinkel nimmt der Auftrieb und somit die Schubkraft des Rotorblattes zu. Da der Torsionswinkel an der Windturbinenblattspitze am größten ist, wird folglich die größte Schlagdeformation ebenfalls im äußeren Bereich des Rotorblattes auftreten. Mit zunehmender Größe des Rotordurchmessers von der Größenordnung 100 m wird erwartet, 10 dass die Torsionslasten einen zunehmenden, nicht mehr vernachlässigbaren Einfluss auf die Wechselwirkung der Aerodynamik und Strukturmechanik einnehmen und somit die Zunahme der Schlagdeformation begünstigen. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Klärung der Annahme, dass die statischen Torsionseffekte eines Windturbinenrotorblatts Einfluss auf die aerodynamische Leistungsbilanz nehmen. In den Kapiteln 4 und 5 dieser Arbeit werden daher die Größenordnung der Drehwinkel und die sich daraus ergebende Schlagdeformation mit einem besonderen Augenmerk auf die Torsionseffekte des Rotorblattes ermittelt. Weiterhin werden in der aeroelastischen Berechnung dieser Arbeit die lokalen Deformationen berücksichtigt, da die flexible Haut des Windturbinenprofils durch die aerodynamischen Lasten eine Verformung erfährt, die einen beachtenswerten Einfluss auf die Aerodynamik des Windturbinenprofils hat. Bei immer größer werdenden Profiltiefen wird die Zunahme der lokalen Deformationen der flexiblen Haut des Windturbinenprofils begünstigt, welche durch die aerodynamischen Lasten und Torsion verursacht wird, die ihrerseits die Aerodynamik beeinflussen. Da der Fokus auf den lokalen Deformationen und Torsionseffekten liegt, wird hier auf sonst wichtige Parameter wie z.B. Windgeschwindigkeitsgradient, und Rotorebenenneigung verzichtet und somit eine stationäre Strömung angenommen. In einem iterativen Verfahren wird zunächst die aerodynamische Lastverteilung des Rotorblatts ermittelt. Die Ergebnisse werden in einem strukturmechanischen Programm auf das Rotorblattmodell übertragen. Die aerodynamischen Lasten und die Zentrifugalkräfte erzeugen einen Gleichgewichtszustand und eine neue Deformation des Rotorblattes. Der neue Gleichgewichtszustand wird für die Ermittlung der Aerodynamik für den nächsten Berechnungsschritt benutzt. Das iterative Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis sich eine Konvergenz eingestellt hat. Hierzu sollen die Konvergenzkriterien berücksichtigt und dokumentiert werden, um somit die Berechnungsgenauigkeit des Antriebsmoments der Turbinenwelle beurteilen zu können. Für die Untersuchungen werden sowohl ein Balkenmodell als auch ein Schalenmodell benutzt.

Oberschwingungen als ein Merkmal der Elektroenergiequalität gewinnen durch die starke Netzintegration leistungselektronisch geregelter Anlagen wie Windenergieanlagen und nichtlineare Lasten zunehmend an Bedeutung. Bestehende Normen entsprechen nicht den zukünftigen Erfordernissen des Elektroenergiesystems und bedürfen diesbezüglich einer Überarbeitung. In der Arbeit werden wesentliche Einflussfaktoren auf das Oberschwingungsverhalten von Windparks identifiziert, beschrieben und modelliert. Dabei wird der stochastische Charakter der Oberschwingungen mithilfe von probabilistischen Ansätzen erfasst. Des Weiteren wird ein neuer Ansatz zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Windpark und dem vorgelagerten Netz entwickelt. Der Ansatz ermöglicht, die vom Windpark verursachte Änderung der Oberschwingungsspannung am Netzanschlusspunkt zu ermitteln. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Verbesserung bestehender Normen für die Anbindung von Windparks. / Harmonics, as one of the power quality criteria, are increasingly gaining attention due to the progressive contribution of renewable energy resources and the application of the nonlinear load in the power system. Current standards do not conform to the future requirements of the power system, thus requiring a revision. In this work, main influence factors on the harmonic behavior of wind farms are identified, explained, and modelled. Thereby, the stochastic nature of harmonics is taken into account using probabilistic approaches. Moreover, a novel approach is developed to investigate the interaction between the wind farm and the upstream grid. With the aid of this approach, it is possible to determine the voltage change caused by the wind farm at the point of connection. This work contributes to improve the existing standards for the connection of wind farms.